秸稈還田與土壤耕作對玉米產(chǎn)量及土壤理化特性的影響

李 輝，宋成孝，陳小翠，羅 勇，段明禹，舒中兵，陳 浪，茍曉松

（遵義市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，遵義市作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，貴州 遵義 563000）

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源豐富，但現(xiàn)階段秸稈利用率還很低[1]。農(nóng)作物的秸稈中含有作物生長所必需的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫等中、微量元素，這些中、微量元素對作物的生長至關(guān)重要。因此，秸稈還田能夠提高土壤肥力，增加作物產(chǎn)量[4]。此外，土壤中的微生物可分解利用作物秸稈中含有的木質(zhì)素、脂肪、醛、酮和碳水化合物等，并將其加工成動物飼料[2-3]。因此，玉米秸稈還田還可以改善土壤微生物群落數(shù)量，調(diào)節(jié)土壤酶活性，優(yōu)化植物根際的生長環(huán)境[5]。綜上所述，秸稈還田不僅可以提高作物產(chǎn)量，而且還能夠減少焚燒造成的環(huán)境污染，促進生態(tài)環(huán)境效益[6]。

土壤耕作是保證植物生長的重要條件，它通過改善土壤的結(jié)構(gòu)影響作物的生長[7]。不同的耕作深度對土壤結(jié)構(gòu)的影響也不同，深翻和深松耕作方式比普通旋耕更能促進玉米產(chǎn)量的提高[8]。但是，土壤耕作過于頻繁，將加速土壤有機質(zhì)的礦化分解，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的丟失[9]。由此可見，合理的土壤耕作才能夠提高土壤肥力，增加作物產(chǎn)量[10]。

秸稈還田及土壤耕作方式已經(jīng)成為了綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)及保護農(nóng)田生態(tài)的重要舉措，是確保現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最有效措施[11]。大量研究結(jié)果表明，秸稈還田及合理的耕作方式可以提高作物的產(chǎn)量，改善土壤肥力[12]。筆者以遵義地區(qū)主推玉米品種新中玉801 為材料，開展秸稈粉碎還田與不同土壤耕作方式對玉米產(chǎn)量及土壤理化特性的影響研究，從而為當?shù)亟斩捹Y源的利用提供理論指導(dǎo)，為播前土壤培肥提供強有力的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況及供試材料

試驗于2016—2019 年在遵義市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院新舟試驗基地固定地塊進行。新舟地處丘陵地帶，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，平均海拔830 m，年平均氣溫15.1℃，年降水量1 160 mm。根據(jù)邵代興等[13]2016年的調(diào)查可知，遵義市的耕地土壤pH 值均值為6.82，有機質(zhì)、全氮含量均值分別為29.63、1.76 g/kg，堿解氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀含量的均值分別為146.70、17.56、309.77 和130.91 mg/kg。按照全國第二次土壤普查分級標準，遵義市全氮含量處于上等水平，有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量處于中等水平。

供試品種為遵義地區(qū)主推玉米品種新中玉801。

1.2 試驗設(shè)計

研究采用裂區(qū)試驗設(shè)計，以秸稈粉碎還田（A1）、秸稈不還田（A2）為主處理，以免耕（B1）、旋耕（B2）為副處理，共4 個處理（A1B1、A1B2、A2B1、A2B2）。秸稈粉碎還田是指采用上茬玉米秸稈就地還田。秸稈不還田是指將上茬或上年秸稈移出田間后種植玉米。免耕是指玉米播種前不翻耕、不旋耕，僅滅茬清理田間。旋耕是指玉米播種前采用滅茬旋耕機旋耕1～2 次，以達到播種要求。

每個處理設(shè)置3 次重復(fù)，種植密度3 300 株/667m2，小區(qū)面積144 m2，小區(qū)行長12 m，行距0.8 m，株距0.25 m，每個小區(qū)15 行。肥水管理和病蟲害防治采用參照大面積生產(chǎn)管理。

1.3 調(diào)查指標及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量調(diào)查 （1）生育進程。包括播種期、出苗期、拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期和生理成熟期，除播種期外其他生育期以各區(qū)內(nèi)植株60%以上達到標準為記載期。（2）株高、穗位高。按照區(qū)試標準觀測、記載。（3）產(chǎn)量。以標準小區(qū)實收計算產(chǎn)量，測量相關(guān)農(nóng)藝性狀（包括穗長、穗粗、禿尖、穗行數(shù)、行粒數(shù)和千粒重等），每小區(qū)取20 個樣穗考種，采用區(qū)試方法調(diào)查，用平均值進行比較，并折算成標準含水量（14%）的產(chǎn)量[14]。

1.3.2 土壤理化特性測定 （1）土壤物理性狀。玉米收獲后，每小區(qū)選擇0～20 cm 和20～40 cm 的耕層土壤進行取樣[15]，采用對角線法選擇有代表性3 個樣點對土壤物理性狀進行監(jiān)測。①容重：采用環(huán)刀法測定[16]，環(huán)刀體積為100 cm3，取樣后烘干2 個土壤耕層原狀土，稱重，重量與體積比值即為容重（g/cm3）。②總孔隙度：取樣后將2 個土壤耕層原狀土置于水中浸泡12 h，取出后馬上稱重，然后烘干，再稱重，得到水的體積與總體積之比即為總孔隙度。③田間持水量：用環(huán)刀分別取2 個土壤耕層原狀土，然后上下加濾紙后蓋好[16]，采用烘干法測定吸水后的土樣，此含水量即為田間持水量；含水量（%）＝（濕土重－干土重）/干土重×100。（2）土壤養(yǎng)分和pH 值。①土壤養(yǎng)分測定：再用S 形多點取樣法采集0～40 cm 耕層土壤，再通過四分法保留1 kg 樣品，將樣品送往四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院土肥所用土壤養(yǎng)分速測儀測定土壤全N、堿解N、全P、速效P、全K、速效K 和有機質(zhì)的含量。②pH 值測定：將土壤樣品過2 mm 土壤篩，風(fēng)干后用pH 計測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

試驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2019 軟件進行處理，采用SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析。采用單因素（One-way ANOVA）和Duncan 法進行差異顯著性分析（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田與土壤耕作對玉米生育進程的影響

由表1 可知，在播種日期相同的條件下，秸稈還田處理后玉米的出苗期、拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期和成熟期提前了1～6 d。調(diào)查記載發(fā)現(xiàn)，免耕和旋耕處理下玉米的生育進程差異不明顯。因此，推測在管理條件相同的情況下，是否進行旋耕可能對玉米的生育期影響不明顯。

表1 不同處理對玉米生育進程的影響 （d）

2.2 秸稈還田與土壤耕作對玉米產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響

秸稈還田與土壤耕作對玉米產(chǎn)量相關(guān)性狀具有一定的影響。從表2 可知，不同處理玉米穗位高存在5～10 cm 的差距，其中，粉碎還田+免耕處理（A1B1）的穗位最高，可達115 cm，禿尖最短，為1.20 cm，千粒重最重，達333.1 g。由此可見，秸稈還田配合免耕可以提升玉米的穗位高、降低禿尖長，從而增加千粒重。但是，秸稈還田與土壤耕作對玉米穗行數(shù)、穗粗和出籽率等性狀的影響并不顯著。綜合來看，秸稈還田+免耕處理（A1B1），玉米產(chǎn)量相關(guān)性狀表現(xiàn)最好。

表2 不同處理對玉米產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響

2.3 秸稈還田與土壤耕作對玉米產(chǎn)量的影響

從表2 可知，秸稈粉碎還田（A1B1、A1B2）與秸稈不還田（A2B1、A2B2）對玉米產(chǎn)量的影響顯著，秸稈還田處理后玉米的籽粒產(chǎn)量有明顯提升。其中，秸稈還田+免耕處理（A1B1）的產(chǎn)量最高，可達450.40 kg/667m2，比秸稈不還田+免耕處理（A2B1）高15.07%；其次是秸稈還田+旋耕處理（A1B2），產(chǎn)量為425.61 kg/667m2，比秸稈不還田+旋耕處理（A2B2）高8.65%。這表明秸稈還田可提高玉米的產(chǎn)量。

2.4 秸稈還田與土壤耕作對土壤物理性狀的影響

經(jīng)過連續(xù)4 a 的定點試驗，各處理不同深度耕層土壤的物理性狀表現(xiàn)出一定差異。從圖1 可知，0～20 cm 土壤耕層，秸稈還田+免耕處理（A1B1）的土壤容重最高，秸稈不還田+旋耕處理（A2B2）的土壤容重最低；20～40 cm 土壤耕層，各處理土壤容重均低于對照，表明免耕還田能夠增加0～20 cm 土壤耕層的土壤容重；從圖2 可知，與播前空白相比，秸稈還田對20～40 cm 耕層土壤總孔隙度沒有明顯影響，其他各處理均能使土壤總孔隙度變大；從圖3 可知，0～20 cm 耕層土壤田間持水量相對較高，不同處理間相比，秸稈還田+免耕處理（A1B1）田間持水量最高，其中0～20 cm 耕層土壤田間持水量最高可達32.45%；20～40 cm 耕層土壤田間持水量最高可達30.29%，推測可能與免耕還田增加土壤水分入滲、減少土表水分蒸發(fā)有關(guān)。

圖1 秸稈還田與土壤耕作對不同深度土壤耕層容重的影響

圖2 秸稈還田與土壤耕作對不同深度土壤總孔隙度的影響

圖3 秸稈還田與土壤耕作對不同深度土壤田間持水量的影響

2.5 秸稈還田與土壤耕作對耕作層土壤養(yǎng)分和pH 值的影響

從表3 可以看出，秸稈還田以及免耕均能顯著提高土壤的全N、全K、有機質(zhì)以及堿解氮的含量，由此推測免耕還田可能有利于提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤理化狀況；與空白對照相比，4 種處理的土壤全P、速效K、速效P 含量及pH 值均顯著降低，其中速效K 含量下降最為顯著；不同處理間比較，不還田＋旋耕處理（A2B2）下，土壤的全P 及速效P 含量下降最為顯著；隨著免耕還田與旋耕還田處理年限的增加，土壤的全N、全K、堿解N、速效K 以及有機質(zhì)的含量均顯著增加。同時，免耕還田與旋耕還田處理均能降低土壤pH 值，達到培肥土壤的目的，從而提高玉米產(chǎn)量。

表3 秸稈還田與土壤耕作對耕作層土壤養(yǎng)分和pH 值的影響

3 結(jié)論與討論

秸稈還田是一種綠色環(huán)保的農(nóng)事操作，在有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常應(yīng)用，其在保持土壤肥力、減少化肥使用、提高作物產(chǎn)量等方面都發(fā)揮了重要作用[17-18]。研究表明，與秸稈不還田相比，秸稈還田處理后玉米的籽粒產(chǎn)量顯著增加（秸稈還田比秸稈不還田平均增產(chǎn)11.86%）。有研究報道表明，短期連續(xù)免耕水稻產(chǎn)量高于常規(guī)翻耕或旋耕，直至第5 年免耕產(chǎn)量才呈下降趨勢[19]。甚至還有連續(xù)免耕11 a 不減產(chǎn)的報道[20]。在該研究中，秸稈還田＋免耕處理（A1B1），供試品種產(chǎn)量最高，且千粒重、穗長、行粒數(shù)、穗粗、禿尖等產(chǎn)量相關(guān)農(nóng)藝性狀表現(xiàn)也最好，這與前人研究結(jié)果相符。這可能是因為耕作方式提升了土壤肥力從而影響作物的生長發(fā)育。

秸稈還田及土壤耕作方式對土壤理化性質(zhì)也有一定的影響。試驗結(jié)果顯示，在秸稈還田＋免耕耕作方式下，由于土壤耕層基本未受擾動，表層（0～20 cm）土壤容重顯著增加；秸稈還田＋旋耕耕作方式下，整個耕層（0～40 cm）土壤容重顯著降低，可能由于該試驗地區(qū)長期實行旋耕作業(yè)，導(dǎo)致土壤緊實度變低，盡管配合實行秸稈還田措施，對土壤容重的影響也相對有限。有研究發(fā)現(xiàn)，深翻或旋耕可顯著降低土壤容重，改良土壤結(jié)構(gòu)[21-22]；也有研究表明，旋耕還田會將作物秸稈集中在淺層土壤中，使淺層土壤間隙度不斷增大，伴隨季風(fēng)性氣候的到來，容易造成淺層土壤失水跑墑[23]。但該研究發(fā)現(xiàn)，免耕還田對20～40 cm 耕層土壤總孔隙度沒有影響，而其他處理均能使土壤總孔隙度變大；從整個土壤耕層來看，0～20 cm 耕層土壤含水率相對較大，秸稈還田處理后，土壤耕層田間持水量相對較高。前人研究表明，覆蓋在土壤表面的秸稈可吸納自然降雪降雨為作物生長提供更多水分，秸稈覆蓋有利于水分入滲土壤，增強土壤保水能力，同時減緩?fù)寥辣韺铀终舭l(fā)，使土壤貯水量增加[23]。因此，推測土壤耕層田間持水量的升高，可能與免耕還田增加土壤水分入滲、減少土壤表層水分蒸發(fā)有關(guān)。

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中重要的有機肥之一，大多數(shù)研究者認為秸稈還田有利于提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤理化狀況[24,18]。張慧等[25]研究證實，秸稈還田可不同程度增加土壤有機質(zhì)、全N、硝態(tài)N、銨態(tài)N、緩效K 的含量。也有研究認為，秸稈還田降低了土壤pH 值，且對K 含量無影響[26]。而試驗結(jié)果顯示，免耕還田能顯著提高土壤的全N、全K、有機質(zhì)以及堿解N 的含量，此結(jié)果與前人研究結(jié)果相一致，進一步驗證了免耕還田有利于提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤理化狀；同時，研究發(fā)現(xiàn)，與空白對照相比，不同處理后，土壤的全P、速效K、速效P 含量均顯著降低，其中速效K 含量下降最為顯著；隨著免耕還田與旋耕還田處理年限的增加，土壤的全N、全K、速效K、堿解N 以及有機質(zhì)的含量均顯著增加。以上試驗結(jié)果表明，免耕還田處理能夠通過提高土壤的全N、全K、有機質(zhì)、堿解N 等養(yǎng)分含量及降低土壤pH 值，達到培肥土壤的目的，從而提高玉米產(chǎn)量。這進一步說明秸稈還田在作物耕作方式中的重要性，表明免耕還田對遵義地區(qū)土壤水分和養(yǎng)分狀況的改善意義重大，是一項有利于生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的耕作措施。